Primitive. Integrala definită – teorie, formule și exemple rezolvate
Bacalaureat – Subiectul III · Analiză matematică, clasa a XII-a. Primitive și tabelul integralelor nedefinite, integrarea prin părți, integrala definită cu proprietățile ei și aplicațiile la arii și volume, cu exemple rezolvate.
15.1Primitive
Definiție
\(F:I\to\mathbb{R}\) este primitivă a funcției \(f:I\to\mathbb{R}\) dacă: (1) \(F\) este derivabilă pe \(I\); (2) \(F^{\prime}(x)=f(x),\ \forall x\in I\).
\[\int f(x)\,dx=F(x)+\mathcal{C},\qquad \mathcal{C}\in\mathbb{R}\ (\text{constanta de integrare})\]
Două primitive ale aceleiași funcții diferă printr-o constantă.
Strategie de rezolvare
Pentru a calcula o primitivă se folosește tabelul de integrale. Pentru a demonstra că \(F\) este primitivă a lui \(f\) se folosește definiția (se derivează \(F\)). Pentru a arăta că o funcție admite primitive pe un interval, este suficient să arătăm că este continuă pe acel interval.
Tabelul integralelor nedefinite
| Formulă de bază | Formă compusă |
|---|---|
| \(\displaystyle\int 0\,dx=\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int a\,dx=ax+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int x^n dx=\dfrac{x^{n+1}}{n+1}+\mathcal{C},\ n\ne-1\) | \(\displaystyle\int u^n u^{\prime}\,dx=\dfrac{u^{n+1}}{n+1}+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\dfrac{1}{x}dx=\ln|x|+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\dfrac{u^{\prime}}{u}dx=\ln|u|+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int e^x dx=e^x+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int e^u u^{\prime}\,dx=e^u+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int a^x dx=\dfrac{a^x}{\ln a}+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\dfrac{1}{\sqrt{x}}dx=2\sqrt{x}+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\sin x\,dx=-\cos x+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\cos x\,dx=\sin x+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\dfrac{1}{\cos^2x}dx=\operatorname{tg}x+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\dfrac{1}{\sin^2x}dx=-\operatorname{ctg}x+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\operatorname{tg}x\,dx=-\ln|\cos x|+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\operatorname{ctg}x\,dx=\ln|\sin x|+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\dfrac{1}{x^2+a^2}dx=\dfrac{1}{a}\operatorname{arctg}\dfrac{x}{a}+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\dfrac{1}{x^2-a^2}dx=\dfrac{1}{2a}\ln\left|\dfrac{x-a}{x+a}\right|+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\dfrac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx=\ln\left(x+\sqrt{x^2+a^2}\right)+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\dfrac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx=\ln\left|x+\sqrt{x^2-a^2}\right|+\mathcal{C}\) |
| \(\displaystyle\int\dfrac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}dx=\arcsin\dfrac{x}{a}+\mathcal{C}\) | \(\displaystyle\int\dfrac{u^{\prime}}{1+u^2}dx=\operatorname{arctg}u+\mathcal{C}\) |
Proprietăți de liniaritate:
\[\int\big(f(x)+g(x)\big)dx=\int f(x)\,dx+\int g(x)\,dx\] \[\int a\,f(x)\,dx=a\int f(x)\,dx\]
Integrarea prin părți:
\[\boxed{\int f(x)\,g^{\prime}(x)\,dx=f(x)\,g(x)-\int f^{\prime}(x)\,g(x)\,dx}\]
Exemplul 15.1
Rezolvare
Exemplul 15.2
Rezolvare
Exemplul 15.3
Rezolvare
Luăm \(f(x)=x\), \(g^{\prime}(x)=e^x\ \Rightarrow\ g(x)=e^x\):
\[\int xe^x dx=xe^x-\int e^x dx=xe^x-e^x+\mathcal{C}=e^x(x-1)+\mathcal{C}.\]
Exemplul 15.4
Rezolvare
Exemplul 15.5
Rezolvare
15.2Integrala definită
Formula lui Leibniz–Newton:
\(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx=F(x)\Big|_a^b=F(b)-F(a)\),\(F\) primitivă a lui \(f\).
Proprietăți:
\(\displaystyle\int_a^b f=-\int_b^a f\)\(\displaystyle\int_a^a f=0\)\(\displaystyle\int_a^b(\alpha f+\beta g)=\alpha\int_a^b f+\beta\int_a^b g\)
Aditivitate la interval:
\[\int_a^b f(x)\,dx=\int_a^c f(x)\,dx+\int_c^b f(x)\,dx,\quad c\in[a,b]\]
Pozitivitate: \(f\ge0\) pe \([a,b]\ \Rightarrow\ \displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\ge0\);Monotonie: \(f\le g\ \Rightarrow\ \displaystyle\int_a^b f\le\int_a^b g\)
Funcții pare / impare (pe interval simetric \([-a,a]\)):
\(f\) impară \(\Rightarrow\ \displaystyle\int_{-a}^{a}f(x)\,dx=0\);\(f\) pară \(\Rightarrow\ \displaystyle\int_{-a}^{a}f(x)\,dx=2\int_0^a f(x)\,dx\)
Teorema de medie: dacă \(f:[a,b]\to\mathbb{R}\) este continuă, atunci există \(c\in[a,b]\) cu
\[\int_a^b f(x)\,dx=(b-a)\cdot f(c).\]
Integrarea prin părți:
\[\int_a^b f(x)g^{\prime}(x)\,dx=f(x)g(x)\Big|_a^b-\int_a^b f^{\prime}(x)g(x)\,dx\]
Exemplul 15.6
Rezolvare
Exemplul 15.7
Rezolvare
Exemplul 15.8
Rezolvare
Exemplul 15.9
Rezolvare
15.3Aplicații ale integralei definite
Aria subgraficului (suprafața dintre \(G_f\), axa \(Ox\) și dreptele \(x=a\), \(x=b\)):
\(\displaystyle\mathcal{A}=\int_a^b\big|f(x)\big|\,dx\)(\(\displaystyle=\int_a^b f(x)\,dx\) dacă \(f\ge0\) pe \([a,b]\))
Aria dintre două curbe:
\[\mathcal{A}=\int_a^b\big|f(x)-g(x)\big|\,dx\]
Volumul corpului de rotație obținut prin rotirea subgraficului lui \(f\) în jurul axei \(Ox\):
\[\mathcal{V}=\pi\int_a^b f^2(x)\,dx\]
Exemplul 15.10
Rezolvare
Exemplul 15.11
Rezolvare
Pe \([0,1]\) avem \(x\ge x^2\), deci
\[\mathcal{A}=\int_0^1(x-x^2)\,dx=\left(\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^3}{3}\right)\Big|_0^1=\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{3}=\dfrac{1}{6}.\]
Exemplul 15.12
Rezolvare
Atenție!
La calculul ariei, dacă funcția schimbă semnul pe \([a,b]\), integrala nu este egală cu aria: trebuie împărțit intervalul în subintervale pe care \(f\) păstrează semn constant și adunate valorile absolute. La volum, formula conține \(f^2\), deci semnul lui \(f\) nu contează.
Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).